开关电源并联系统的数字均流技术【钜大锂电】

1引言

电源系统的发展方向之一是用分布式电源系统取代集中式电源系统。这是因为分布式电源系统具有更多的优点，比如易于扩充输出功率容量、可靠性高、使电源保持高的效率和较快的动态响应、可以实现标准化设计、便于维护等。但是外特性不同的电源模块并联工作时，假如不采取一定的均流措施，每个模块的输出电流将出现分配不均的情况，外特性好的电源模块将承担更多的电流，甚至过载，从而降低了可靠性；分担电流小的模块可能处在效率不高的工作状态。因此必须采取均流措施。

同时分布式电源系统对两个技术提出了更高的要求：

1）并联模块间的自动均流技术；

2）模块的智能化技术。

电源模块的数字化能够提高其可靠性和产品一致性等工程问题，并且有利于实现智能化，是应用技术的发展方向。

2平均电流法

目前常用的均流方法有：输出阻抗法、主从设置法、平均电流法、最大电流法、热应力自动均流法和采用均流控制器的方法等。为了提高电源系统的可靠性和可维护性，采用的均流方法最好有如下特点：

1）单个模块的故障不影响整个系统的正常运行；

2）模块之间自动实现均流，无需人为的调整和设定，无需模块之外控制器的介入。

考虑到均流算法和数字化的特点和互补性，本系统选用平均电流法。这种方法是将并联工作的每个模块电流值取平均后，将平均电流值送给每个模块。各模块都以这个平均电流值为目标自动调节自己的输出电流，从而达到均流的目的。图1画出了N个并联模块中一个模块按平均电流自动均流的控制电路原理图。并联各模块的电流放大器输出端，通过一个电阻R，接到均流母线上。如图1所示，电压放大器输入为Vr′是基准电压Vr和均流控制电压Vc的综合，它与Vf进行比较放大后，出现电压误差Ve，控制pWM及驱动器。Vi为电流放大器的输出信号，和每个模块的负载电流成正比，Vb为母线电压。当N=2时，也就是两个模块并联运行状态下，Vi1和Vi2分别为模块1和2的电流信号，都经过阻值为R的电阻接到母线b，母线电流I值计算如下：

I=(Vi1－Vb)/R＋(Vi2－Vb)/R(1)

图1平均电流法自动均流控制原理图

图282C250的功能框图

当母线电流I=0时，由式(1)得

Vb=(Vi1＋Vi2)/2（2）

母线电压Vb是Vi1和Vi2的平均值。也代表了模块1，2的输出电流平均值。代表均流误差的Vi与Vb之差，经过调节放大器，输出调整电压Vc，Vc值可正可负。当Vb=Vi时，电阻R上的电压为零，调整电压Vc=0，实现了均流。一旦模块间的电流分配不均匀，Vb≠Vi，电阻R承受电压，此时Vr′=Vr±Vc，电路通过调整放大器改变Vr′，以达到均流目的。

这种方法能够精确地实现均流，但是，若采用模拟方法实现时，也会有一些特殊问题，比如当均流母线发生短路，或接在母线上的任何一个模块不能工作时，均流母线电压下降，将促使各模块电压下调，甚至达到下限，造成故障。若采用数字方法实现，用通信的方法获得所有并联模块的平均电流值，再用这个平均电流值与模块电流值比较，比较的结果用来补偿电压基准，则可防止上述情况的出现。采用数字方式实现这种方法能够扬长避短，具有很大优越性。

3数字均流控制的实现

采用数字方式实现均流控制具有控制方法灵活的特点，很容易做到单个模块故障时不影响与其并联的其它模块的正常运行。而要实现模块之间的自动均流，则模块之间的数据交换是必需的功能。采用数字方式，则这种交换数据的简单形式一般就是通信。因此，模块之间的通信技术是实现数字均流的关键技术。采用何种通信方式、制订怎么样的通信协议，既能够实现数据的可靠和高速交换又能使通信接口简单，便是数字均流技术首先要研究的内容。

许多单片机（包括DSp控制器）都有内置通信模块。选用这些单片机片内的通信模块实现数据通信，无论关于新增可靠性，还是简化软硬件设计都有很大的帮助。TMS320X241DSp控制器具有较高的A/D转换速率、较小的封装，并且带有CAN模块。可作为主电路的控制核心。

CAN属总线式串行通信网络，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于CAN具有以上一些特点，关于100ms级响应时间的均流控制来说，能够满足其实时通信的要求。通过CAN，我们能够实现并联工作的各电源模块之间的数据通信，而且硬件接口简单，图2为CAN控制器与物理总线之间的接口电路82C250的功能框图。82C250能够供应对总线的差动接收和发送功能，以实现总线上各节点间的电气隔离，最高通信速率达1Mbps。4CAN的协议模型和自含义的高层协议

上面的硬件实现方法中，CAN只采用了OSI参考模型的两层协议——物理层和数据链路层，它仅实现了节点间无差错的数据传输。因此，其它层的协议要我们自己含义。

以下是针对开关电源并联系统的数字均流控制制订的部分高层协议：

1）允许参加并机的模块总数不超过8个，每个模块拥有1个3位的地址编码，模块的地址编码不允许重复。

2）每个模块都以自身的地址码作为发送数据的优先级。

3）模块向外发送数据帧时，应包含自身的地址码信息。

4）所有的数据都以广播形式向总线发送，同时回收自己发送的数据，若发现发送和回收的数据不符，则立即重发。

5）对每个模块而言，上电后1s内若未接收到任何通信信息，则在1s计时结束后，延时发送自身的地址码及电流采样值（可能为零）。这个延时发送时间（tdelay）的计算公式为

tdelay=T1×MADDR（3）

式中：T1为单位延时时间常数，该值可以根据通信速率合理含义；

MADDR为模块自身地址编码。

6）从模块上电后第一次接收到通信信息（可能为自身发送的信息）起，每隔40ms向外发送自身地址码和电流采样值。如发生冲突，CAN会根据每个模块信息的优先级自动调整发送顺序。由于每个模块发送信息的优先级都不相同，因此它们会自动按一定的次序发送出去。

7）每个模块在自身发送信息10ms之后，计算出并联工作的模块总数，并求出所有采样电流的平均值，通知模块的控制环节。由于CAN高速的通信能力和极低的出错率，10ms之内所有的模块都能将电流采样值发送出去让每个模块接收到。